martedì 10 gennaio 2017

puntatrice a scarica capacitiva (capacitive spot welder)

E' un progettino che risale al 2011, messo insieme a partire dalle idee sul web, con una piccola innovazione che consente l'uso a mani libere.
Usa 6 condensatori elettrolitici da 47000 μF 35 V di recupero e un solo mosfet bello grosso, un IRFP4004 (1390 A pulsati massimi), con RDS(on) massima di 1.7 mΩ.

Subito qualche foto:

vista dall'alto
vista laterale con 3 dei 6 condensatori elettrolitici
montaggio del MOS
esempio parti puntate

veloce prova su una pila NiMH
 
qualche prova in video...

Ecco lo schema:
schema elettrico

L'alimentazione è esterna con un alimentatore regolabile da impostare nel range 12-18 V. I 18 V non vanno assolutamente superati, perché alimentano anche il timer 555.
A riposo il banco di condensatori si carica attraverso la resistenza da 10 Ω. Il drain del MOS di potenza è tenuto al potenziale GND dalla resistenza da 8.2 k verso massa. Il 2N7000 rimane spento.
Una volta che gli elettrodi vanno entrambi a contatto col pezzo da puntare, il drain del MOS di potenza sale alla tensione di alimentazione; la tensione di gate del 2N7000 sale gradualmente e dopo circa 1 s questo entra in conduzione e innesca il timer 555; il timer accende il MOS di potenza per un tempo impostabile col trimmer (0.8-12 ms). Contemporaneamente il BC547 scarica il condensatore di gate del 2N7000, rimuovendo così il segnale di trigger al 555.
In questo modo si può operare a mani libere: la scarica della puntatrice avviene automaticamente dopo circa 1 s di mantenimento del contatto col pezzo. La durata della scarica è impostabile.
Il condensatore  di gate del 2N7000 è al tantalio, perché essendo caricato da un resistore da 1 MΩ, deve avere basse perdite; in alternativa si può usare un poliestere.

Avendo utilizzato solo 282000 μF, si possono puntare solo oggetti di modeste dimensioni, ma i parametri del circuito si possono facilmente modificare, ad esempio aumentando la capacità, aggiungendo MOS di potenza in parallelo all'IRFP4004 e aumentando il tempo di scarica.
Non conviene, a mio avviso, modificare il circuito per usare tensioni di alimentazione più elevate: per quanto ho visto la tensione sul punto di contatto del pezzo in genere è di pochi V, per cui partendo da tensioni alte si ottengono sì correnti iniziali più elevate, ma con efficienza molto bassa.

Ho volutamente usato dei cavi di sezione contenuta 4 mm2 e 1 m complessivo di lunghezza per limitare la corrente massima in caso di cortocircuito degli elettrodi. La resistenza complessiva di loop è:
  • 1.35-1.7 mΩ RDS(on) del MOS di potenza
  • 2-3 mΩ ESR dei condensatori (Panasonic THA, 13-18 mΩ ciascuno da data-sheet)
  • 4.2 mΩ sui cavi
A 13 V, in caso di cortocircuito, la corrente di picco è attorno ai 1400 A, poco oltre il massimo ripetitivo del MOS.

Ho fatto delle misure con trasformatore di corrente (TA) 300:1 caricato su 2.2  Ω.
Con una alimentazione di 13 V, puntando due sottili lamine di acciaio con gli elettrodi a 8 mm di distanza tra loro, ho misurato una corrente di picco di 760 A. La tensione sul banco di condensatori in 7 ms è scesa da 13 a 3 V.
Con la stessa alimentazione, su una lamina di alluminio a 15 mm di distanza ho misurato ben 1145 A e la puntatrice è risultata del tutto inefficace...

Ho ripetuto oggi le misure di corrente con 13 V, sottili lamine di acciaio e tenendo gli elettrodi a circa 8 mm l'uno dall'altro:
 
test setup
TA 300:1 e resistenza 2.2 Ω
1: corrente 2: tensione condensatori
Il range della corrente è 273 A/div: 2 V/div su 2.2 Ω da moltiplicare per 300. Il picco corrisponde a 2.8 divisioni, ovvero circa 760 A. In questo test la tensione sul condensatore è scesa da 13 a 2.4 V in 7 ms.